CC BY
35УДК 582.263(285.2)(477.75)
И.Н. Гудвилович
Dunaliella Salina солёных водоёмов западной части Крыма
Институт биологии южных морей
Аннотация. Показана зависимость распространения микроводоросли Dunaliella salina от плотности озерной рапы и отсутствие зависимости распространения от содержания азота и фосфора. Сделана количественная оценка содержания каротиноидов солесадочных бассейнов.
Ключевые слова: Dunaliella salina, соленые водоёмы, каротиноиды
Загадочное явление красного «цветения» рапы солёных водоёмов было известно задолго до 1905 г., когда первый представитель рода Dunaliella - Dunaliella salina был описан Теодореску [1]. К настоящему моменту род Dunaliella широко известен благодаря галобным, и прежде всего, гипергалобным видам, развивающимся в солёных водоёмах всего мира в массовых количествах.
В Крыму насчитывается около 50 естественных солёных озер. Многие из этих водоемов представляют интерес для добывающей промышленности и целей бальнеологии. Кроме того, большие площади в западной и северной части Крымского полуострова занимают солепромыслы, в солесадочных бассейнах которых часто наблюдается красное «цветение» рапы.
Исследования солёных водоёмов Крыма с целью изучения биологии и экологии D. salina неразрывно связаны с именем Н. П. Масюк. В 60-70 г.г. были проведены комплексные исследования группой сотрудников Институтов ботаники и биохимии АН УССР с целью выявления возможностей практического использования природных запасов Dunaliella salina как источника для промышленного получения ß-каротина [2, 3].
Было установлено, что данная микроводоросль широко распространена в причерноморских соленых водоемах морского происхождения, в естественных и искусственных солесадочных бассейнах, в рапных озерах и лиманах. Максимальная продукция биомассы приходится на теплый период года, вызывая красное «цветение» рапы [2].
Так, по данным экспедиционного обследования солёных водоёмов Крыма в июле -августе 1960 г., сырая биомасса каротиноносных водорослей оценивалась около 40 т, а общие запасы каротина, рассчитанные на основании химического анализа рапы этих водоёмов - свыше 600 кг [2, 3].
Так как за последние 50 лет данные по распространению D. salina в солёных водоёмах практически отсутствуют, в 2008 - 2009 гг. были проведены экспедиционные исследования, целью которых являлось: оценить особенности распространения микроводоросли Dunaliella salina в естественных и искусственных солёных водоёмах западной части Крыма
Материалы и методы. Объектом исследования являлась зелёная микроводоросль D. salina. Были проведены исследования солёных озёр западной части Крыма: Бакальского, Ярылгач, Джарылгач, Панского, Сасык. Кроме того были исследованы такие искусственные водоемы, как солесадочные бассейны солепромыслов «Сольпром» и «Галит» в районе оз. Сасык.
Пробы рапы отбирались в период массового накопления каротиноидов (июль). Плотность озёрной рапы, кг/м3, измеряли с помощью ареометра, содержание нитрат-ионов и минерального фосфора определяли в соответствии с общепринятыми гидрохимическими методиками [4].
3
Численность клеток микроводорослей, тыс. кл./см , определяли в камере Горяева под световым микроскопом при увеличении х600. Величину биомассы в пробе определяли на нитроцеллюлозных фильтрах № 6, пропуская через них определённый объём рапы с последующей промывкой насыщенным раствором карбоната аммония и высушиванием в сушильном шкафу при 105 °С. Экстракцию пигментов проводили 100 % ацетоном. Спектры экстрактов пигментов промеряли на регистрирующем спектрофотометре СФ-2000 в диапазоне длин волн 400 - 800 нм с шагом 0,1 нм. Расчет концентраций каротиноидов проводили по формулам, предложенным Wettstein [5].
Результаты и обсуждение. Исследованные солёные озёра: Бакальское, Ярылгач, Джарылгач, Панскоге относятся к Тарханкутской группе, а озеро Сасык - к Евпаторийской группе солёных озер.
Под общим названием соленые или минерализованные водоемы объединяется группа водоемов, разнообразных по происхождению, минерализации, химическому составу рапы. Все исследованные озера западной части Крымского полуострова морского происхождения, представляют собой мелкие бассейны с глубиной, не превышающей нескольких метров, относятся к соленым сульфатным и хлоридным водоемам.
По степени минерализации озёра Панское и Бакальское относятся к среднесолёным (эвгалинным), а остальные исследованные водоёмы - к пересоленым или гипергалинным. Наименее минерализованным из исследованных является оз. Панское, плотность воды в нём составляет 1015 кг/м3.
Таблица 1
Распространение микроводоросли Dunaliella salina в солёных водоёмах западной
части Крыма
Параметры Естественные водоёмы Искусственные водоёмы (солепромыслы)
Плотность рапы, кг/м3 1020 - 1100 1100 - 1200 1200 - 1230 1220 - 1300
Концентрация NO-3, мг/дм 70 - 270 380 - 480 600 - 610 640 - 750
Концентрация фосфора, мг/дм3 0,20 - 1,04 0,30 - 0,50 0,40 - 0,43 0,15 - 1,12
Микроводоросли Диатомовые, эвгленовые, цианобактерии, Dunaliella salina Dunaliella salina Dunaliella salina Dunaliella salina
Численность Dunaliella salina, тыс. кл/см 0 - 40 20 - 40 120 - 180 470 - 970
Содержание каротиноидов в рапе, мг/дм3 Не определялось Не определялось 2,5 3,4 - 75
Самым большим солёным озером в Крыму является оз. Сасык, площадь его зеркала составляет 75,3 км2. Озеро Сасык разделено дамбой на северную и южную части. В южной части озера зарегистрирована самая высокая минерализация воды для исследованных естественных водоёмов - 1155 кг/м3. Северная часть опресняется поступлением пресных подземных вод, солёность воды в этой части составляет 1060 кг/м3.
На основании проведённых анализов, солёные озёра были разделены на две группы. В первую группу с меньшей минерализацией (до р=1100 кг/м3) вошли озёра Панское, Джарылгач, Ярылгач и Бакальское (табл. 1). Для этих водоёмов характерна относительно невысокая численность клеток Dunaliella salina, что, вероятно, объясняется её низкой конкурентоспособностью в условиях водоемов с пониженной соленостью, так как для данных водоёмов характерна высокая численность диатомовых, эвгленовых микроводорослей и цианобактерий.
Для оз. Сасык, относящегося ко второй группе с плотностью 1155 кг/м3, характерно массовое развитие ракообразных (Artemia salina), для которых микроводоросль D. salina
является основным кормовым объектом. По этой причине численность D. salina достаточно низкая (20 тыс кл/см3); представители других групп микроводорослей не обнаружены (табл. 1).
Следует отметить, что в озёрах с меньшей солёностью преобладала зелёная «форма» данной микроводоросли, а в озере Сасык - клетки с оранжевой окраской (рис. 1), т. е. накопление каротиноидов в клетках D. salina начинается при плотности рапы свыше 1150 кг/м3.
Рис. 1. Внешний вид клеток D. salina солёных озёр с низкой минерализацией и оз. Сасык
Массовое развитие D. salina наблюдается в бассейнах искусственного происхождения (солепромыслы), в которых данная микроводоросль развивается в монокультуре ввиду неконкурентоспособности макрофитов, морских трав и других микроводорослей. В данных водоёмах наблюдалось красное «цветение» в условиях начавшегося осаждения хлористого натрия при плотности рапы 1200 - 1300 кг/м (табл. 1).
Максимальная численность клеток (970 тыс. кл/см3) и соответственно биомасса микроводоросли D. salina зарегистрирована в солесадочных бассейнах солепромысла «Галит», при максимальных значениях плотности рапы (1250 - 1300 г/м3) (рис. 2).
Таким образом, практически во всех исследованных солёных водоёмах несмотря на отличающиеся условия встречается зелёная микроводоросль D. salina, характерной особенностью которой является способность к перестройке пигментного аппарата с преимущественным накоплением каротиноидов, выполняющих защитные функции в экстремальных условиях существования.
Рис. 2. Внешний вид цист D. salina солесадочных бассейнов солепромыслов
Ценозообразующий элемент экосистем озер искусственного происхождения, каковым является D. salina по причине неконкурентоспособности макрофитов, морских трав и других микроводорослей в условиях плотности рапы свыше 1150 г/м3, является также ценным биотехнологическим объектом способным накапливать в клетках огромное количество каротина. Установлено, что накопление каротиноидов в клетках D. salina, обитающих в искусственных озерах солепромыслов, соответствовало 10 % в пересчете на абсолютно сухую массу или 75 мг/дм3 в пересчете на объём озерной рапы.
На примере одного солесадочного бассейна площадью 1 га произведён расчёт запасов данного водоёма по каротиноидам. Исходя из рассчитанного содержания каротиноидов в пробах, площади и глубины бассейна, общий запас каротиноидов в бассейне составляет приблизительно 80 кг.
Высокое содержание p-каротина в клетках D. salina, массовые вегетации последней в солёных водоёмах, вызывающие красное «цветение», лёгкость извлечения пигментов из клеток объекта, лишенных плотных оболочек - всё это позволило ставить вопрос о возможности практического использования естественных запасов этой водоросли [2].
На протяжении последних 50 лет наиболее экономически выгодным способом промышленного культивирования микроводоросли Dunaliella salina признан способ с использованием солёных вод из естественных водоёмов. Таким образом D. salina как источник p-каротина культивируют в индустриальных масштабах в Австралии, США, Японии, Израиле, Тайване, Китае, Индонезии [6, 7].
Н. П. Масюк ещё в 60-х годах 20 в. предложен двухэтапный метод искусственного культивирования D. salina на естественной рапе, предусматривающий на первом этапе создание условий, способствующих накоплению биомассы микроводоросли, а на втором - стимулирующих накопление p-каротина в клетках [8, 9].
В принципе возможны два способа получения биомассы D. salina: экстенсивный и интенсивный.
Экстенсивный способ предполагает накопление каротиноидов в клетках микроводоросли при естественном повышении солёности в летний период, отбор биомассы D. salina не более одного раза в год и последующее восстановление популяции при закачке свежей морской воды в зимний период. При этом возможно промышленное получение биомассы D. salina на базе солесадочных бассейнов солепромыслов, так как данный метод предполагает рост численности клеток D. salina только за счет содержащихся в морской воде биогенов и микроэлементов. Данный способ не требует значительных материальных затрат для выращивания биомассы D. salina, однако, не может гарантировать стабильных урожаев ввиду сильной зависимости от погодных условий. Кроме того, при данном способе не исключается промышленная добыча морской соли на солепромыслах, в том числе и обогащенной р-каротином.
Переход к интенсивному культивированию микроводоросли D. salina сопровождается внесением значительных количеств минеральных удобрений, что может негативно сказаться на структуре естественных сообществ микроводорослей, а также к ограниченному использованию добываемой морской соли за счёт накопления в ней нитратов и фосфатов.
Поэтому для интенсивного культивирования желательно организовывать специальные тепличные хозяйства, в которых культивирование D. salina осуществляется в бетонированных или плёночных бассейнах для исключения контакта высококонцентрированных сред, применяемых при интенсивном культивировании с почвой. В качестве основы для приготовления питательной среды возможно использовать рапу из солесадочных бассейнов [8, 9].
Гипергалинные озёра Крыма, являющиеся уникальными природными объектами, не рекомендуется использовать для промышленной добычи Dunaliella salina, так как исследования по возможности восстановления популяции данной микроводоросли в солёных озёрах после промышленного отбора не проводились и переход к их интенсивному использованию может нанести непоправимый ущерб уникальным естественным сообществам микроводорослей.
Выводы
В исследованном районе микроводоросль D. salina обнаружена в естественных солёных озёрах: Панское, Ярылгач, Сасык, а также в искусственных солесадочных бассейнах солепромыслов в районе оз. Сасык.
Максимальная численность клеток микроводоросли D. salina зарегистрирована в солесадочных бассейнах солепромыслов, при плотности рапы 1200 - 1300 кг/м3.
Максимальное относительное содержание каротиноидов в клетках D. salina составило 10 % в пересчете на абсолютно сухую массу, а максимальная концентрация в рапе составила 75 мг/дм3.
Общий запас каротиноидов в солесадочном бассейне площадью 1 га в период их максимального накопления в клетках D. salina составляет приблизительно 80 кг
Гипергалинные озёра Крыма, являющиеся уникальными природными объектами, не рекомендуется использовать для промышленной добычи Dunaliella salina.
Литература:
1. Teodoresco E. C. Organization et développement du Dunaliella, nouveau genre de Volvocacée -Polyblépharidee /// Beih. Bot. Centralbl. 1905. Vol. 18. P. 215-232.
2. Масюк Н. П. Каротиноносна водорють Dunaliella salina Teod у солоних водоймах Кримськой облаcmi / Н. П. Масюк // Укр. ботан. журн. - 1961. - Т. 18, № 4. - С. 100-107.
3. Масюк Н. П. Морфология, систематика, экология, географическое распространение рода Dunaliella Teod. / Н. П. Масюк. - К. : Наук. думка, 1973. - 487 с.
4. Методы гидрохимических исследований основных биогенных элементов. - М. : ВНИРО, 1988. - 119 с.
5. Wettstein, D. Experimental Cell Research /D. Wettstein. - 1957. - Vol. 12, № 3. - 427 р.
6. Borowitzka M. Microalgae for aquaculture: opportunities and constraints / M. Borowitzka // J. Applied Phycology. - 1997. - Vol.9, № 5. - P. 393-401.
7. Ben-Amotz A. The biotechnology of cultivating the halotolerant alga Dunaliella salina / A. Ben-Amotz, M. Avron // Trends in Biotechnology. - 1990. - Vol. 8, № 1. - P. 121-126.
8. Масюк Н. П. Оценка прuдатностi ропи сакських водойом/'в для вирощування каротиноносних водоростей / Н. П. Масюк // Укр. Бот. Журнал. - 1967. - Т. 24, № 4. - С. 37-43.
9. Масюк Н. П. Перший досв/'д вирощування каротиноносних водоростей в нап/'впромислових умовах/ Н. П. Масюк, е. Г. Абдула // Укр. ботан. журн. - 1969. - Т. 26, № 3. - С. 21-27.
Показано залежнють розповсюдження м1кроводорост1 Dunaliella salina eid ш,Льност1 озерноТ ропи та в1дсутн1сть залежнот розповсюдження eid вмсту азоту i фосфору. Зроблено кльксну оцнку вмсту каротино)^в солесадних басейнiв.
Ключовi слова: Dunaliella salina, солонi водойми, каротино'lдi
Dependence of distribution of microalgae Dunaliella salina from density lake brine and absence of dependence of distribution from the nitrogen and phosphorus maintenance is shown. The quantitative estimation of the maintenance carotenoids salty reservoirs is made.
Keywords: Dunaliella salina, salt reservoirs, carotenoids
Поступила в редакцию 21.09.2010 г.
